邱玉，魏焕卫，蒋洪胜

(山东建筑大学土木工程学院，山东 济南 250014)

0 引言

随着城市化的发展，高层建筑日益增多，出现了越来越多的深基坑工程。当地下水位埋深较浅时，为方便施工，降水是必要工作。现在的深基坑设计和施工控制重点不仅在于保证其强度、稳定性，而且还要控制对周围环境的影响。盲目降水势必造成周围建筑的不均匀沉降，开裂甚至破坏。基坑降水对周围地表的沉降问题已引起国内外科研、设计和施工人员的高度重视。如章荣军等[1]采用考虑流固耦合作用的三维数值模拟方法探讨了深基坑降水开挖对邻近桩基的影响规律;许锡昌等[2]探讨了深井降水对基坑支护结构和周边建筑物的影响等。降水时建筑物的沉降是许多因素共同作用的结果，如李涛等[3]利用FLAC3D程序中的流固耦合功能，对基坑开挖降水时影响周围建筑物沉降的主要因素进行了分析;金小荣等[4]利用二维有限元法分析了弹性模量、降水深度和渗透系数对基坑周围土体沉降性状的影响等。沉降计算时综合考虑建筑物与基坑距离、已有建筑物基础形式等是必要的。

另外，现场监测也是控制基坑降水的重要措施，适时监测周边建筑物的沉降，根据其发展趋势，及时调整基坑施工方案，采取必要措施加固已有建筑[5]，也是很必要的。张增全等[6]研究了基坑降水沉降监测的意义和实施。对于基坑降水对周边建筑物的影响，本文进行了实测与理论方面的研究，综合性的阐述了引起不均匀沉降的原因是由于深基坑降水使周围土体应力重新调整，并以CFG桩为例进行解析法分析。

1 工程概况

1.1 基坑工程概况

东营市某基坑工程，基坑深度6.5m，基坑长约120m、宽约130m，为了保证基坑安全采用复合土钉墙进行支护，采用管井进行降水，降水井深13m。基坑南侧为已建成T9及裙楼、T10及裙楼、T11和T12楼，4～17层，框架结构，采用CFG桩复合地基，基础埋深3.47m，桩长21.5m。如图1所示。

图1 基坑及周边环境布置示意图

1.2 周边场地岩土工程条件

根据场地的岩土工程勘察报告，各土层的物理力学指标如表1所示。

表1 土的物理力学性质指标表

1.3 基坑降水情况

基坑南侧坡顶建筑自2010年8月开始施工，至2011年2月基本完成结构封顶。该基坑自2011年6月15日开始降水，由于降水期间观测发现周边建筑物沉降较大，于2011年7月5日停止降水，后在基坑周边增设水泥土搅拌桩止水帷幕，2011年8月1日重新开始降水，降水期间仍然发现周边建筑沉降较大，于2011年9月5日停止降水。

2 周边建筑物基础沉降实测分析

2.1 监测点布置

为了保证基坑周边建筑物的安全，在T9、T10、T11和T12建筑物位置各布置了7个沉降观测点，具体布置见图2。

图2 基坑周边建筑物沉降观测点布置图

2.2 沉降数据分析

从建筑物基础施工完成后开始对其沉降进行观测，观测时间自2010年8月3日开始至2011年9月21日为止，共观测31次。各楼不同阶段的沉降观测值如表2所示。由表2和图3～6可以看出:(1)自该建筑物基础施工完毕后随着上部结构荷载的增加沉降持续线性增加，结构封顶至第1次降水开始(2011年6月15日)期间该建筑物的基础沉降基本保持稳定;(2)第1次降水开始至第1次降水终止期间，该建筑物基础沉降持续增加;(3)停止降水期间(止水帷幕施工，2011年7月5日至8月1日)，该建筑物基础沉降仍增大，但增速锐减;(4)第2次降水开始至第2次停止降水期间，该建筑物基础沉降持续增加，增速与第1次降水期间基本相同;(5)距离基坑降水井越远的建筑物的沉降越小。

表2 沉降观测成果表/mm

图3 T9楼沉降观测时程曲线

图4 T10楼沉降观测时程曲线

图5 T11楼沉降观测时程曲线

图6 T12楼沉降观测时程曲线

由以上分析可以看出基坑降水井开始降水时，周边建筑物基础沉降速率较大，当停止降水时周边建筑物基础沉降基本稳定，因此初步分析自2011年6月15日以后引起周边建筑物基础沉降主要是由于基坑降水引起的。

3 周边建筑物基础沉降理论分析

3.1 沉降原因的初步分析

基坑大量抽取地下水，导致基坑周围建筑物地下水位下降，使地基中有效自重应力增加，从而引起地面大面积沉降[7]，如图7所示。

图7 水位下降前后自重应力的变化

图8 复合地基各部分沉降示意图

CFG桩桩顶与基础之间铺设褥垫层，使桩间土发挥承载力，与桩组成复合地基。

由于该建筑物采用CFG桩复合地基，上部结构荷载由CFG桩与桩间土共同承担，当桩间土沉降后，部分荷载转移至CFG桩上，导致桩沉降，从而使建筑物发生沉降、倾斜。

建筑物沉降主要由以下三部分组成:建筑物建成后沉降，降水引起桩端以下土沉降S2和桩的沉降S3。由于CFG桩是刚性桩，所以桩的自身压缩量可忽略不计。其中，桩间土的沉降用S1表示，如图8所示。

3.2 建筑物建成后结构自身沉降

计算复合土层的压缩模量按照JGJ79－2002《建筑地基处理技术规范》[8]中规定计算:结果基底平均附加应力为84.07 kPa。最终沉降 S=21.86 mm。压缩层厚度为基底以下5.67m。沉降计算经验系数为0.69。地基承载力标准值为110kPa，如表3所示。

表3 建筑物建成后沉降

3.3 降水引起桩间土沉降量S1

3.3.1 基坑降水指标计算

基坑指标:地下水埋深取1.40m，基础埋深取6.5m，采取管井降水法，井深13m，将地下水位降至基底以下0.5m。

3.3.2 桩间土沉降量

已建成建筑物地下水位取基底以下0.5m，平均桩长21.5m，基底以下土的有效重度取19kN/m3，采用分层总和法，则地基沉降如表4所示。

表4 桩间土沉降计算表

3.4 降水引起桩端以下土体沉降S2

地基处理后的变形计算按现行国家标准GB50007 －2002《建筑地基基础设计规范》[9]中公式5.3.5规定，计算结果如表5所示。

表5 桩端以下土沉降计算表

3.5 CFG桩沉降S3

基坑周边建筑物采用CFG桩，基础类型为柱下方形独立基础基础，基础尺寸3.4m×3.4m，褥垫层厚度200mm。第9层为桩端持力层，地基承载力标准值为150kPa。布桩形式为正方形，桩间距为1.8 m，平均桩长21.5 m，桩径400 mm。

3.5.1 单桩竖向承载力特征值计算:

根据JGJ79－2002《建筑地基处理技术规范》[8]第9.2.6 规定，得 Ap=0.1256m2，up=1.256m，则 Ra=1.57 ×595.61+1800 ×0.1256=974.2(kN)。

3.5.2 面积置换率计算:

根据 JGJ79 －2002[8]第 7.2.8 －2 规定，得 d=0.40m，de=1.13s，s=1.8m，则 m=3.867%

3.5.3 复合地基承载力计算:

根据 JGJ79 － 2002[8]第 9.2.5 规定，取 m=3.867%，β =0.8，fsk=107.8kPa，则 fspk=3.867% ×974.2/0.1256+0.8 × (1 － 3.867%) × 107.8=382.8(kPa)。

3.5.4 CFG 桩沉降计算:

当桩间土沉降后，部分荷载转移至CFG桩上，导致桩沉降。此时有，则=1243.3 kN，此时降水后单桩竖向荷载增量为ΔRa==269.1kN，则附加应力=4 ×269.1/3.42=93.1(kPa)，其中n为单个柱下独立基础的桩数，A为基础面积。

T9、T10、T11和T12楼沉降计算结果:基底平均附加应力为93.1kPa。最终沉降 S=35.45mm。压缩层厚度为基底以下6.93m。沉降计算经验系数为0.78。

3.6 建筑物最终沉降

引起建筑物最终沉降是由于桩端土的沉降和CFG桩的沉降，即 S2+S3。T9、T10、T11和 T12楼中心点的沉降值如表6所示。

表6 各楼中心点沉降值计算表/mm

4 结论和建议

理论和实测值最大相差17%，说明基坑周边建筑物沉降是由降水引起。CFG桩与桩间土以及桩顶与基础底面间的褥垫层共同组成复合地基，共同承担上部荷载。由于基坑降水使周围地下水位下降，导致地基土中有效自重应力增加，从而引起桩间土下沉。部分荷载转移到桩上引起桩的沉降从而使建筑物整体下沉。基坑降水时使周围土层产生的沉降成漏斗分布，其沉降与建筑物和基坑的相对位置有关，建筑物距基坑越近，沉降越大。建议在基坑降水前对将会引起建筑物的沉降进行计算，做到实时的预测[10]，以采用合理的降水形式和降水井布置等。或采用回灌井、止水帷幕等减小基坑周围土体总沉降和不均匀沉降，使降水对周围建筑物影响做到最小。

[1]章荣军，郑俊杰，丁烈云，等.基坑降水开挖对邻近群桩的影响及控制对策[J].华中科技大学学报(自然科学版)，2011，39(7):113－117.

[2]许锡昌，徐海滨，陈善雄.深井降水对支护结构和周边建筑物影响的研究[J].岩石力学与工程学报，2005，24(2):49 －53.

[3]李涛，曲军彪，周彦军.深基坑降水对周围建筑物沉降的影响[J].北京工业大学学报，2009，35(12):1630－1636.

[4]金小荣，俞建霖，祝哨晨，等.基坑降水引起周围土体沉降性状分析[J].岩土力学，2005，10(10):1575 －1581.

[5]刘相宜，魏焕卫，张鑫.基于变形控制的基坑开挖和邻近建筑物保护技术[J].工业建筑，2007，37(1):69 －72.

[6]张增全，曲佳瑞.基坑降水沉降监测的意义和实施[J].勘测设计，2007，28(5):63 －65.

[7]魏焕卫，孙剑平，张鑫.降水纠倾的原理、设计和施工[J].山东建筑大学学学报，2008，23(2):170 －173.

[8]JGJ79－2002，建筑地基处理技术规范[S].北京，中国建筑工业出版社，2002.

[9]GB50007－2002，建筑地基设计规范[S].北京，中国建筑工业出版社，2002.

[10]张勇，赵云云.基坑降水引起地面沉降的实时预测[J].岩土力学，2008，29(6):93－95.